長大上坡路段瀝青路面抗滑機理及影響因素的研究

摘要 為延長優異抗滑路面的使用壽命，該文研究了瀝青路面抗滑性能的關鍵因素和機理。研究表明：瀝青路面的抗滑機理涉及其表面構造及輪胎與路面的相互作用，包括微觀構造、宏觀構造等；瀝青路面抗滑性能受材料性質、施工技術、輪胎特性和環境條件等多種因素影響。本研究提出了提升瀝青路面抗滑性的研究方向，包括改性瀝青的使用、高性能集料的開發以及紋理深度控制技術的改進，為設計更加安全、經濟、耐用的抗滑路面提供理論依據。

關鍵詞 抗滑性能；瀝青路面；影響因素；道路工程

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）18-0070-03

0 引言

瀝青路面的抗滑性能損失是道路中最常見的病害，在長大下坡路段尤為明顯。通過交通事故的調查發現，81%的事故與路面使用性能有關[1]，陰雨天氣時，路面上會產生一定厚度的水膜，與干燥路面相比，橫向力系數降低46%，發生交通事故的概率是干燥道路的5倍[2]，路面抗滑性能的降低，對駕駛安全和道路服務質量產生了嚴重影響[3]。

1 瀝青路面抗滑的產生機理

汽車的行駛性能，包括起步、剎車和轉向，受道路與輪胎間摩擦的影響。車輛行駛中，輪胎與路面碰撞形成碰撞系統，涵蓋輪胎、路面、二者間的污染物及外界環境[4-5]。輪胎影響因素包括其結構特性、尺寸、型號及橡膠材料，路面影響因素則涉及混合料、集料性能及結構等，而輪胎與路面間的污染包括雨水、雪、灰塵、廢氣、廢油及紫外線等。

1.1 瀝青路面表面構造

路面表層的基礎構造可看作是一系列具有不同的長、寬組合，其中兩組反復計算得到的路面表層的橫向間距稱為波長[6]。

1987年，國際道路協會根據波長范圍和波幅范圍將瀝青路面表面紋理分為微觀構造、宏觀構造、大構造和不平整度構造[7]，目前研究認為，瀝青路面抗滑性能主要取決于微觀構造和宏觀構造[8-9]。

微觀構造影響輪胎與路面的摩擦力和抗滑性，紋理密度和高度越大，抗滑性能越強[10]。宏觀構造涉及較大范圍的路面紋理，影響因素包括集料的粒度和級配，對抗滑性和安全性有積極作用[11-13]。大構造和不平整度構造影響排水和抗滑性，如車轍和坑槽會降低舒適度和路面性能，四種紋理的波幅、波長以及影響因素等分類詳情，如表1所示。

1.2 瀝青路面與輪胎之間的作用

汽車輪胎是由高彈性模量的橡膠材料制成，具有良好的變形特性。在路面行駛時，汽車輪胎會受到路面硬度、車輛垂直荷載、接觸面積、車速、外部環境溫度和濕度等因素的影響，這些因素會改變輪胎與路面間的摩擦力，分析汽車輪胎與瀝青路面之間的摩擦磨損機理，可以歸納出以下幾點：

（1）輪胎與路面間分子引力作用：輪胎與路面接觸時產生的分子作用力反映了胎-路摩擦的微觀情況。分子作用力的大小不僅取決于輪胎和路面材料的性能差異，還與實際接觸面積及路面狀態密切相關。

（2）輪胎與路面間的黏著作用：汽車運行時，輪胎與地面形成緊密貼合，產生黏著力。摩擦試驗顯示，輪胎表面可吸附細集料，而路面的微小橡膠顆粒也能附著在輪胎上，表明存在一定的黏附力[14]，這是橡膠與瀝青之間不斷結合與斷裂的動態過程。

（3）輪胎橡膠的彈性變形：行駛中，輪胎橡膠會經歷彈性變形，并產生回復力，這是摩擦力的一個延遲因素。由于回復力小于變形力，彈力滯后，不同花紋的輪胎在縱向和橫向上的摩擦力能力也存在差異，說明橡膠彈性變形對摩擦力有影響。

（4）路表微小凸體的切削作用：在荷載作用下，路面微小凸起會對輪胎產生高壓，并可能微切削輪胎表面，這是摩擦力的一種表現。摩擦力受到輪胎和路面材料特性、路面粗糙度和凸起鋒利度的影響，實際接觸面積雖小，但對摩擦力具有決定性作用。

由此可見，在路面與輪胎的界面處形成摩擦力的過程是復雜的，是由多種力聯合作用形成的，由上述四種力的矢量和組成了摩擦力。

2 路面抗滑性能的影響因素

路面的抗滑性能主要是由于輪胎與路面的作用形成的，其受力狀況比較復雜。內在因素對瀝青路面抗滑性能的影響主要涉及：瀝青、集料、瀝青混合料、施工技術和運營管理等。外部因素主要是輪胎因素、車輛載荷和運行時間、溫度和季節變化等。

2.1 路面材料

瀝青的抗滑性能受多方面因素影響，包括其特性、用量、老化程度以及受荷載作用下的流變特性變化，具體如下：

（1）瀝青及其用量：過多瀝青會導致泛油，而用量不足導致集料無法完全覆蓋，降低黏著力，增加脫落風險。高蠟量瀝青易泛油、易開裂，添加橡膠顆粒可提升路面黏彈性，改善抗滑性。

（2）集料：集料是瀝青混合料中最大成分，對綜合力學特性影響顯著，粗集料的力學指標、礦物成分等是關鍵因素，通過磨光值和磨耗值體現，抗壓碎能力則通過壓碎值衡量，不同集料的礦物質含量和組成直接影響其力學性能。

2.2 輪胎因素

（1）輪胎結構類型的影響：包括斜交線輪胎、子午線輪胎和帶束斜交輪胎，斜交線輪胎在滾動時與路面摩擦形成撓曲力和彈性變形；子午線輪胎具有較強的抗變形能力，產生較小的彈性變形，從而降低滑動摩擦力；帶束斜交輪胎介于兩者之間，但子午線輪胎的實際摩擦力遠高于斜交線輪胎[15-16]。

（2）輪胎表面花紋的影響：包括橫向花紋、縱向花紋、混合花紋和塊花紋，花紋越密集，輪胎與路面接觸面積越大，從而增加黏著力[17]。輪胎表面花紋的深淺也會影響輪胎與路面間的摩擦力，輪胎花紋分類，如表2所示。

（3）輪胎充氣壓力的影響：在堅硬的道路上，由于橡膠的彈性遲滯特性，使其產生更大的彈性變形。相反地，如果降低輪胎的空氣壓力，那么輪胎與地面的有效接觸區就會增加，輪胎與道路的摩擦力增加。

2.3 施工工藝及運營養護管理

施工過程（如攪拌、攤鋪和碾壓）直接影響瀝青路面質量、排水性能和平整度，進而影響車輛行駛。較高的施工質量能延緩路用性能的衰減，不良的養護管理會加速瀝青路面抗滑性能的衰減，應及時采取養護措施可減少路面病害，保障行車安全。

2.4 交通荷載的影響

交通荷載，特別是車輛荷載，對瀝青路面抗滑性的影響顯著，主要通過車輛與路面的互動來體現，如磨光和磨損效應。車輛荷載增加會惡化路面質地，降低輪胎與路面間的摩擦，導致抗滑性變差和路面病害增加。新建瀝青路面抗滑性最佳，但隨著時間推移，表面瀝青磨損后，粗糙集料暫時增加抗滑效果，隨后性能下降，因此瀝青路面抗滑性在初始階段先有所下降，然后微幅增加，最終穩定下降。

2.5 水和污染物的影響

水在路面抗滑性能中扮演著重要角色，一般情況下，輪胎與路面之間的摩擦系數隨溫度上升而減小，但結冰路面在0℃時的摩擦系數最高[18]。水分子與路表接觸形成水膜，使得輪胎與路面接觸減少，產生水漂現象。降雨時，水會沖刷附著在路面上的污染物，降低路表溫度。

路面抗滑性能在建成時就受到污染物的影響，附著在路表的污染物導致微觀構造降低，影響輪胎與路面間摩擦力。在陰雨天氣下，水溶性污染物的潤滑作用導致路表摩擦系數急劇下降，同時堵塞路面宏觀構造，使路面排水能力下降，影響車輛行駛安全性。

3 發展趨勢

隨著材料科學、施工技術和信息技術等的不斷進步，提升瀝青道路抗滑性能的策略和方法將更加多樣化和科學，未來可在如下方面進行研究。

（1）改性瀝青：添加各種改性劑如橡膠顆粒、聚合物等來提高瀝青的黏彈性，改善其抗滑性能，改性瀝青不僅能提高路面的耐久性，還能在不同溫度下保持良好的抗滑性。

（2）高性能集料：選擇具有良好抗磨損性和高抗壓強度的集料，能有效提升路面的抗滑性，同時，通過優化集料的粒度分布和形狀，增加路面的微觀紋理，有助于增強摩擦系數。

（3）紋理深度控制：通過改進攤鋪和碾壓技術，控制瀝青路面的宏觀和微觀紋理，以達到提高抗滑性的目的。

4 結論

瀝青路面是道路中最常見的類型，其抗滑性能的優劣決定了車輛行駛的安全性，該文詳細研究了其瀝青路面的抗滑機理、影響瀝青路面抗滑性能的主要因素，得出如下結論：

（1）瀝青路面抗滑機理主要由路面表層構造和輪胎與路面之間的相互作用構成，路面表層構造包括微觀構造、宏觀構造、大構造和不平整度構造，其中微觀構造和宏觀構造對路表構造影響最為重要。輪胎與路面之間的相互作用包括分子引力作用、黏著作用、輪胎橡膠彈性變形作用和切削作用。

（2）影響瀝青路面抗滑性能的因素主要分為內在因素和外在因素。內在因素包括瀝青及其用量、集料級配、瀝青混合料類型；外在因素包括施工工藝及后期運營管理、輪胎結構類型、輪胎花紋類型、車輛荷載、水和污染物。

（3）未來的研究可著重于改性瀝青、高性能集料、紋理深度控制等方面，以提升路面抗滑性能。

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